诺奖得主也说——量子理论“完全错了”?

The Nobel Laureate Who (Also) Says Quantum Theory Is “Totally Wrong”——完整中文翻译与整理呈现

嘉宾:赫拉尔德·特·胡夫特(Gerard 't Hooft),1999 年诺贝尔物理学奖得主 主持:柯特·贾伊蒙加尔(Curt Jaimungal)

“量子力学的预测是完全错误的。”——如果把现实想象成一台宇宙弹珠机,每一颗球都沿着确定的轨迹运行,毫无例外。对特·胡夫特教授来说,我们之所以发明量子力学,只是因为我们无法追踪所有这些球——量子力学本质上是为处理我们的无知而生。这一主张极为惊人,尤其来自一位因电弱相互作用工作而在 1999 年摘得诺贝尔奖的物理学家。在他看来,根本层面没有实数、没有叠加,甚至没有波函数;取而代之的是离散的元胞自动机,以量化的步点更新。

今天,我们将讨论他为何认为标准物理学本末倒置:粒子不会处在多重状态中,猫也不会同时“死”与“活”,宇宙从不掷骰子。我们会谈到超决定论、为何看似荒诞的理论比貌似现实的理论更易获得支持,以及如何通过识别时空中的“量子克隆”来化解黑洞难题。

主持人(Curt):

教授,我们在场外聊天时,您提到“提案越离奇,就越容易被接受”。您这是什么意思?

特·胡夫特:

这种事经常发生,而且颇令人意外。如果你提出一个非常朴素的理论或想法,人们会有各种各样的抱怨与反对;但若你提出一个显然不可能被彻底修正、听起来是极其“远距离”的做法,反而常常更受支持。举个例子,我最初在和导师费尔特曼(Veltman)激烈讨论重整化时就遇到过这种事。我们一致认为还有一个非常重要的问题需要处理:一切能否自洽?我们手里的方程彼此是否不矛盾?我苦苦寻找解法,想到给时空加上第五维,居然奏效,但只对一圈图(one-loop)有用,接下来就坏掉了。于是我说,也许把维数取成 3.99 或 4.01,这样形式上是有限且可计算的,没有矛盾;我所要做的只是取极限,让空间维数趋近 4。但是我想:我要如何向费尔特曼解释呢?他很严苛。我说,我有个主意:把空间维数改成不是整数,而是一个小小的分数。出乎我意料,他立刻就兴奋起来,其他同事也一样。他们马上就接受了这个在我看来相当疯狂的想法。

可对比来看,当你谈论量子力学,并建议:也许量子力学只是“伪装的确定论”,之所以伪装,是因为宇宙里发生的事太多了,你无法真正检验它是否确定。我认为这对量子力学是非常自然、近乎“零号位”的姿态。然而,人们又会抛出一大堆反对。而当你向某些人提出“同时存在两个或多个宇宙、或许有的更‘真实’,但其实都是真实的不同现实”之类的主张时,我觉得那完全是胡说八道,我无法理解那如何运作。可对这种观点,你却很少听到反对意见,只会听到同样疯狂的“替代品”。可如果你说,世界就是彻头彻尾的确定的、朴素的,就像沙子的颗粒——你在一桶沙子里玩耍——这本该是最容易假定的;但人们又会提出各种各样的反对。

主持人:

为什么会这样?您觉得是我们的“验证标准”出了偏差?还是越“奇幻”的观点就越能迎合人性?又或者越奇幻,就越难被挑出错?

特·胡夫特:

是的,我认为更奇幻的观点更容易制造声势,你可以高调宣称“我们有了一个惊天动地的疯狂想法,而且它有效”——或许在某种程度上有效——看上去有效。然后你就会被捧为英雄;相反,如果你提出的是非常基础、非常平凡、非常普通的东西,人们就会说:“是,是,我们听过,我们不信,那太简单了。”这大致是你会在人群中见到的普遍态度。

主持人:

您也表达过对量子物理学家“盲点”的一些挫败感。刚才您其实已经暗示了这一点,关于量子力学的各种诠释。能否再展开一下?

特·胡夫特:

关键在于,量子力学只对“当你做某个实验时会发生什么”这类问题给出统计性的答案。你得到的直接就是统计答案,这在可能答案的世界里似乎是合理的。量子力学给出正确的概率性预言。但真实世界并非概率性的;只有在你缺少全部信息,无法确定“这本书在这儿、那本书在那儿”时,它才是概率性的。比如你打开橱柜,所有的书都掉在地上,你无法精确预测它们如何掉落,只能做出某种概率性的预测,就像量子力学那样:我们不知道这本书会去哪儿,那本书会去哪儿,但我们知道“某件事发生的概率”。这些是可以计算、也可以与实验对照的。我们会不会看到与量子力学所预测概率有大偏差?就这个意义而言,这个理论是“对的”;但若问“每件事到底会落在何处”,它给出的预言就完全不对。量子力学只能给出统计预言,我认为这些预言是“完全错误的”,但又比你能给出的任何其他预言更接近真相。它之所以接近真相,是因为很多情形下你无法做得更好。想想保险公司,他们不关心每次事故的确切时空点,他们只关心车有多少、多少人开车、多少人酒驾、多少人怎样怎样。他们要的是统计答案,不是具体答案。科学世界亦然:量子力学给你统计答案,而非真实答案。对我来说,这就意味着理论是不正确的。

我们应该有一种理论:如果从一个初始情形出发,其中每个粒子、每个原子、每个光子都精确地位于它应在的位置,或以毫无疑义的概率处在它应处的状态,那么,该理论应能明确地预言每个单一粒子将去哪儿。如今我们没有这样的理论,量子力学也不是这样的理论。但最终我想要的就是这种能给出此类预言的理论。如果你以无限精度、数学意义上的精确,知晓所有初始数据,那么理论给出的就是明确的结果:每一粒子都只会以唯一的一种方式发生碰撞,其他可能性根本不会发生。这就是我为量子力学所想要的理论——尽管我很清楚,这个性质在实践中没人能用上。实践中,我们对初始态的了解远达不到那样的精度,以致我们不知道粒子将如何碰撞,于是任何答案看似都差不多。但量子力学是一套天才般的理论,它恰好给出正确的概率,这也正是我们在实践中需要的。因此,从实用角度看,去寻找一个“能以无限精度预言一切”的理论并没有那么重要。但对我而言,追索“这种理论可能长什么样”,会让我对“终极真理”有所感知:一种像量子力学那样给出极其精确概率的理论,但如果你知道初态,它就能给出无限精确的答案。即便我们不知道如何着手构建这样的理论,我仍然强烈偏好这样的理论。而奇特的是,即使你想要一个确定论的理论,也很难从零开始去设计它,我们知道得还不够。

主持人:

当您说量子理论“完全错了”,有人可能首先就想到“隐变量”。是不是您在为隐变量辩护?隐变量不是被证伪了吗?我们一会儿再谈您的元胞自动机思路。但为何您会说“完全错了”?反驳者会说:量子理论的预言极其精确,被验证的有效位数也超越其他任何领域。

特·胡夫特:

错就错在:该理论从不谈论那些“以概率 1 发生、以概率 0 不发生”的普遍存在的情形,或反之亦然。想象在 CERN 的束流里两粒子相撞,假如我们确切地知道这两粒子、多少会撞、如何撞,等等,即便初态被精确定义,量子力学仍然给出的是一个统计性的结论。这在我的直觉里不可能是对的。换言之,概率分布不应是“除了某一点为 100% 之外,到处都是 0”。

你刚才要问隐变量。严格说,我谈的正是隐变量理论——不如说是它的“哲学”。隐变量的“哲学直觉”就是:它应给出无限精确的预言。实验中我们测得的概率性结果,来自我们无法足够精确地计算出更精确的结果。这就像天气预报,你能预测哪里有云、哪里有雨,但无法预测每一滴雨会落在何处、云的形状将如何,太难了。但这并不意味着气象学家不努力尽可能精确地预测云的形状等等。显然,他们离极精确的理论也还很远。

关于波函数,大体有两类解释:一种是“ψ本体论(psi-ontic)”,一种是“ψ认识论(psi-epistemic)”。“本体”关涉“是否真实存在”,“认识论”则关涉“我们对此的知识”。认为波函数真实存在的人,往往是多世界主义者(Everettians)。而“ψ认识论”,我想我算其一。反驳就是 PBR 定理。当然,该定理有漏洞。至于多世界,我的看法是:它和其他“多个现实并存”的量子解释一样不真实。多世界理论不过是把“每个可能结果都以某种量子概率发生”的观点推到极致。我说的是:即便在一个隐含的确定论里,因为你无法足够精确地进行计算,你也只能做统计性的预言。所以你必须考虑你初态所对应的“全体可能态”,而终态也会是一种“分布”,拥有无穷多可能。一个理论越好,它给出的概率分布就越像现实。所以,是的,这可以被称为“隐变量”类理论;我赞同其基本思路:存在我们如今无法准确识别的变量,但它们只以确定性发生,从不以“多个可能的叠加”发生——永远只是单一、尖锐的状态。

(插入相关引用)罗杰·彭罗斯:

量子理论整体上是错的。不是爱因斯坦错了,是量子力学错了。我直说,因为这事没法委婉。爱因斯坦和薛定谔礼貌些,说它“不完备”。不完备就是错。

主持人:

您说得直白。

罗杰·彭罗斯:

我们必须改变它,所以它是错的!

(回到与特·胡夫特的对谈)主持人:

我好奇,既然你们都是认为量子理论“不完备”的诺奖得主(我会这样表述,仅供说明),你是否和彭罗斯聊过这个?

特·胡夫特:

聊过,但我经常不同意他的看法,存在一些基本分歧。他的表述有些模糊,不太清楚确切含义,而且他有很多我不信的理论。我的唯一信念是:自然的终极理论,不管长什么样,只有变量——就像隐变量——一切发生都以确定性发生:这个发生,那个不发生,中间没有别的。比如著名的“猫既死又活”的例子——我认为,理论应在原则上预言猫会死还是会活;猫不会处于“叠加态”。我们之所以只能说“猫有某个存活概率”,只是因为我们今天对真实自然法则的“哲学理解”太不确定、太不精确,无法更好地回答;我们甚至可以计算那个概率,但做不到更好。

主持人:

我记下过您的一句话:“如果我们有朝一日找到真正的方程,叠加态将不复存在。”能否展开?

特·胡夫特:

我仍记得你第一个问题:为何人们不相信“容易的那套”,却更容易接受“古怪”的理论?在我看来,沙粒、行星、恒星、岩石、原子、分子,统统都是粒子,都服从方程。原子分子的方程当然不同,但“基本上”应一样——即存在一些变量决定它接下来会做什么。原子分子远比人们想的复杂,不是“由若干原子组成,然后处在一个波函数里”就完事。它们不处在波函数里。我甚至不知道那里是否是原子或分子,可能是别的东西;它们服从的只是一组方程:如果你以无限确定性知道初态,就会导向某个确定的结果。这对岩石、沙子、原子、分子、基本粒子、光子、微中子……全都一样,它们都只遵循确定论的规律。这或许无法证明,我只能说:这是我最偏好的世界观,我很难想象别的。

注:以下为节目中穿插的广告口播与说明(保留并译出以保持完整性)。

主持人:

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主持人:

我们也谈到“量子力学作为一种语言”。这与您最新的思路有关吗?

特·胡夫特:

你提到“认识论(epistemic)”。它描述事物;波函数就是认识论性的——这正是我所相信的。因为我们没有比波函数更好的东西。所以把波函数视作描述实验将要给出的概率分布的方式。之所以会出现概率分布,是因为我们不以无限精度掌握初态;而要想得到非概率性的、即“确定”的答案,你必须拥有那样的精度。

主持人:

我们来说说您的“元胞自动机”方案吧。能否从最初构想讲起,再到它如今的样子?

特·胡夫特:

其实变化不大。最初的想法是:尽管世界看起来是概率性的,温度与熵等概念比“粒子与分子的确定性图景”更好定义,但元胞自动机可以由许多“元胞”构成,它们彼此影响,但基本上只影响最近邻。位置非常重要,因为它只能影响邻居,无法直接影响超出若干基本距离之外的对象。这很像弹珠机,虽然弹珠机被设计来生成随机数;但如果你能以无限精度预测机器里发生的事,那么每个球都走可预测的轨道,沿机台而下。之所以不可预测,只是因为细节太难算——这正是弹珠机所要的。但原则上,一切都应可预测。

在元胞自动机里,我们更基础地构建这种想法:规定“一个对象如何影响它的邻居”的规则,假设这些规则由非常简单的处方固定下来。比如这边有个部件,那边也有个;当这个开始振动,另一个也开始振动,它们相互反应的方式由简单法则完全固定。

主持人:

我现在可以在屏幕上展示康威的“生命游戏”作为例子。

特·胡夫特:

那是个好例子,但它不是时间可逆的;而现实世界看起来(我强调,是“看起来”)是时间可逆的。也就是说,如果某事发生了,把同一事件倒放一遍,仍服从同样的方程(严格地说,还要把粒子换成反粒子并镜像一些粒子等,但那是细节)。若你希望把这套东西映成量子力学、让它与量子兼容,你很可能想要“时间可逆”的法则集合。这些法则可以极端简单,因为你只需要说明:当一个粒子看到邻居时会发生什么。如果你知道所有粒子在哪儿,你就能有波穿过这情形,你可以让它看起来和真实世界一样复杂。这很重要。在我看来,真实世界并不比这更复杂,只是我们不知道它的方程,我这辈子大概也找不到。也许有一天物理学家会猜中那些方程,不仅与实验大致一致,还能预言这种方程会产生什么粒子。粒子是“能量量子”,这是最精确(也许不是“无限精确”)的定义。能量可以用经典方式定义,尽管不是完全确定的——这是个重要复杂点。我们有时间、有能量、有动量和其他粒子属性,它们以完全固定的、预先规定的方式相互作用。如果这些固定法则只作用于整数、且以固定时间步进,那么一切都可放进计算机,因为计算机也只处理离散数与离散时间步。计算机也能非常精确,偶尔会因波动而出错,但不常见。大多数时候,它们给出的实验结果会高度一致。于是有很充分的理由去怀疑:这种理论也可能在我们真正理解之前,就已经预言出与粒子物理学家几几十年来所说的“标准模型粒子”非常相似的东西。标准模型是量子模型,它给出非常精确的统计预测,与实验核验后发现:标准模型是我们今天描述粒子世界的最佳方式。下一步就是:若你有一个离散化的模型(如元胞自动机),它应能重现标准模型的粒子世界。并且,由于元胞自动机中不接受非整数,这也意味着当这些标准模型粒子相互作用、碰撞、朝不同方向散射时,整个碰撞现象只能用整数来描述。这对做标准模型的人来说很有意思,因为标准模型并不具备这一点,它里面充斥着 π 这样的数,或一些不太精确已知的常数,甚至是一个连续谱的“自然常数”。这个连续谱应被打断,而这正是我的理论会预言的:在实际有效的模型里,甚至耦合强度也是整数。这并非我们如今理解粒子的方式,但也许在遥远的未来,我们会发现“是的,你也能用整数来计算所有粒子的相互作用”。

主持人:

所以离散性非常重要吗?会不会仍然依赖于像 π 这样的实数?

特·胡夫特:

我认为离散性是要紧的。若你允许连续的实数——而一个实数需要无穷多个小数位才能被完全指定——这在有限模型(如元胞自动机)中难以实现。我不相信物理学中“实数”的存在。这听起来很奇怪,因为今天物理学里的一切似乎都由实数控制。我说的可能只适用于一个理想化的、尚未被发现的模型。如果我们找到了细节,我预测它们只依赖整数,甚至不是有理数,因为有理数也可以取无限多不同的值。只有整数是有限取值的,且整数也不应太大,比如 1 到 2,或 1 到 137 之类,总之是“有限”。只有这样,你的模型才能在不诉诸统计近似的情况下保持确定性。反之,若依赖实数,你永远不会确知两粒子是否会相撞,因为它们的冲击参数由实数控制——差一点点就会导致“这次相撞、那次不相撞”。要做一个只给出确定答案的理论就非常困难。我对未来理论的“基本要求”就是:只基于确定性。

我们今天对很多事都不理解,今天的科学缺乏确定性——很好,这意味着我们有事可做。我们的工作就是去寻找只包含确定性的理论,因此可能只包含整数,连时间步也是。然而时间也许是一个例外,类似“刺绣”:针线是连续运动的,但打出的结是离散的、可用整数标注。那样的话,时间形式上是“实”的,但它不在你做预测时起作用;真正相关的是“粒子位置随时间的函数”。在真实世界里,时间走得如此之快,以至于我们甚至察觉不到它是离散还是连续。

主持人:

关于超决定论(superdeterminism),另两位是 Tim Palmer 和 Sabine Hossenfelder。Palmer 有“有理量子力学”。你怎么看?

特·胡夫特:

我觉得他是在朝我方向走,但还不够远。我认为数不应是“有理”的,因为那仍有无限多可能。若他说的有理数是“分子/分母”,而分子分母本身是受限的整数,那么就很漂亮。但 Palmer 还没像我这样彻底地接受“完全整数的世界”。

主持人:

在离散性与时空之间,是否需要“优选叶片(preferred foliation)”?还是“离散性”并非“时空离散性”?

特·胡夫特:

这正是难点。我们有爱因斯坦方程,有时空曲率。任何使用这些的理论通常会需要“切片”。让它们离散化很难。比如圈量子引力在尝试类似的事,我对他们有同情心,但对我来说他们在“确定论”上还不够远。

主持人:

史蒂芬·沃尔夫勒姆也做元胞自动机,但他不谈超决定论。早年的他主打元胞自动机,如今是“超图”路线。你的做法与他有何不同?是否相互影响?

特·胡夫特:

可能不完全独立。我想他在我之前很久就研究元胞自动机了,因而在“优先权”上应归于他。我记得“生命游戏”这一例子,但它有吸收、不如我想要的那样确定。Palmer 的想法和我的很接近,但仍非完全一致。

主持人:

很多人会给您寄“万物理论”,大多对您帮助不大,但 Edward Fredkin 是“沙里淘金”的例外之一?

特·胡夫特:

他是例外。多数“自创理论”的人对既有科学缺乏了解。我们知道标准模型非常好,这不可能是偶然。因此我们要在此基础上前进,而不是在有更好替代之前把它推翻。标准模型并非“无限好”,有弱点,科学家当然知道并在修补,而不是要把它完全推翻。关键是:你需要什么数学来把元胞自动机与标准模型(或类似模型)对接?边界在哪?我不相信真的有边界,但看起来像有。显然,时空按爱因斯坦是弯曲的,这已被很多观测确认,没必要去怀疑。你想保留广义相对论,也想保留标准模型。首先应当放下的是“量子力学的解释”。然后还要走很多步,看看我们对世界的既有理解如何完全折叠进一个有用的理论。

主持人:

若你的元胞自动机对初始条件极端敏感,以至我们观察到的任何“随机性”都可被说成“无知所致”;而初始条件又不可达你所需的精度,那你的理论如何可证伪?

特·胡夫特:

短期内这非常难。只要理论尚未被完全理解(例如我们并不知道那组自动机方程),它就远未“被证明正确”。只有当理论开始对标准模型的相互作用给出预测,比如如今不太清楚的中微子质量,以及其他粒子的质量关系,这些目前可测而不可算的量,若能从理论可理解的特征中导出;在那之前,没人能宣布“这模型被否决了”。我希望也许藉助比人类更强大的 AI,机器可以找到揭示这类元胞自动机的方法。也许机器会知道如何把多粒子的量子场论与元胞自动机对接。我能看到量子多粒子理论与元胞自动机之间有大量关联。这是我与沃尔夫勒姆不同之处。我认为我们需要把实验科学家(尽可能精确地测定标准模型参数)与理论家(追问这些参数为何以特定比值相关)结合起来。也许某天,人们会在自动机里认出某个数。一个著名的例子是电磁学中的精细结构常数,若将某些常数比值平方,得到 1/137,后面还有很多小数位。这个数可以极其精确地测量,但没人能算出来。若元胞自动机配得上这个名字,它应能算出这个数从何而来,到底是多少。

主持人:

这正是谈“超决定论”的时候了。超决定论与“普通的决定论”有何不同?

特·胡夫特:

许多人对“超决定论”的含义各有理解。有的人以为“自然法则彼此共谋,让我们误以为量子力学是真相,其实只是统计现象”;也可以理解为“原则上,在各个层级都是决定论”,不仅原子分子层面,化学、生物大分子、甚至恒星宇宙层面,都应以确定性方程描述。我走到极致:原则上我们有完全确定的方程;实践中我们永远做不到精确计算,即便是 AI 也不行——太复杂。可我们仍可相信,世界的法则内建了这种确定性,即使我们永远无法精确地把它们推导出来。若“超决定论”是这个意思,我完全赞同。但若有人把它理解成“有个上帝在背后拉开关,诱使我们以为量子是真理”,那我完全不认同。除了完全确定的法则之外,不需要任何神秘干预。爱因斯坦曾说“上帝不掷骰子”,我想我们彼此会同意。

细微处在于贝尔定理。它似乎排除了决定论;其中一个假设是“统计独立”。超决定论通常被说成是“否定统计独立”。贝尔假设:Alice 与 Bob 在最后一刻选取的测量设置,与过去发生的事无关。我认为他在此犯了一个非常初级的错误:Alice 与 Bob 不可能在没有任何过去原因的情况下“改变主意”。如果你认为他们可以,那么你就假定他们做了“没有过去解释的事”。而我的观点恰恰相反:我们所做的一切,同样受那套理论的控制;我们选择做哪种测量,也取决于过去发生了什么。如果贝尔需要相反的假设,那恰恰说明他的做法不足以反驳“量子力学中的确定论”。若你相信超决定论,就要相信贯穿始终的超决定论。

有人批评说“超决定论让实验科学失去意义”。我不这么看。它会让科学更难做,但不是无意义。我们仍然在做科学,只不过对量子方程的“来源”有不同解释:并非“多种现实共存”。在真正确定的理论里,一旦 Alice 与 Bob 做出决定,你可以准确地在过去指出:是哪一原子导致他们改变了设置。

举个精确点的例子:假设你有一千只老鼠,其中一些天生易患癌症,一些不是。我们不知道哪些易患,于是“随机”分组。怎么随机?比如用圆周率的第两百万位数字:奇数就分到左边一组,偶数就分到右边,依此类推。标准统计会说两组里“易患癌”的比例应大致相同。若后来我们看到“吸烟组”的癌症更多,我们就得出“吸烟导致癌症”。若否定统计独立,就等于说“某种阴差阳错让‘吸烟组’正好分到了更多‘易患癌’的老鼠”。有人用这种论调反驳“吸烟致癌”。我的看法是,在确定论理论中,你仍会在实践中看到“随机性”。因为我们永远无法以无限精度计算“每一只老鼠”的具体命运,于是我们需要作出“合理的假设”:例如所有老鼠都受相同的生物学规律支配,有的更抗癌,有的更易感。你可以更容易地从模型里计算出这些“总体倾向”,而不是算清每只老鼠会发生什么。这就像保险公司从不考虑“是否某些原子位置不利导致车祸”,而是用总体统计。这样,“老鼠问题”就不再构成反驳:在实践中,随机性无论你愿不愿意都会出现;但这与“底层的确定论”并不矛盾。

主持人:

我们来概括一下:在你看来,量子力学到底是什么?你的元胞自动机在说什么?

特·胡夫特:

在我的想法里,存在一些我们姑且叫“隐变量”的参数,它们只能取“是/否”这样的确定值,没有“中间态”。原则上,若能以无限精度处理,这样的模型能算出发生什么;实践中几乎不可能。即便在 CERN 的对撞机上,两束粒子撞击,不管你把其中一束对准另一束调多细,总会有你无法控制的微小涨落,导致碰撞后“所有可能”都以不同概率出现。你还能看到某些相关性,让观测里出现小峰值,那可能是新粒子的信号。在“最好的世界”里,这个理论不会比“普通量子力学”算得更好;但它能帮助我们理解“现象是什么、为何会这样”。尤其是:用“确定论的出发点”来研究标准模型的基本粒子,这是排在第一位的课题。

主持人:

既然你在量子力学上的观点与众不同,那在量子引力上呢?你的方法会对主流方案有根本限制吗?

特·胡夫特:

我认为不应给引力“不同于其他相互作用”的待遇。通常我们有电磁力、强弱力,决定粒子如何碰撞;引力只是另一种力,只是弱得多。但原则上,引力也应受同样的情形控制:有引力子,有黑洞,还有其他在引力论里会发生的事,它们都由确定的法则控制。确实很难,甚至很难想象“确定法则”在此如何起作用,但我看不出为何“不可能”。人们写下各种“不可能定理”(no-go),就像贝尔不等式那样,我觉得是可以突破的。你需要非常聪明、非常机敏,也许还需要非常巧妙的实验,来搭桥把基本粒子与引力粒子接起来。两者都必须使用量子力学的同一套技术:量子引力作为“量子理论”当然成立;经典引力只是在“量子效应不显著”的极限近似。

主持人:

我采访过“大质量引力”的 Claudia de Rham。她建议学生:对“不可能定理”要认真,但别把它当作“彻底的不可能”,你总能找到规避之道。比如她的大质量引力通过特定势在各阶移除了“幽灵”。你是否也给类似的建议?

特·胡夫特:

我甚至会说“别太在意相悖之处,反而应去研究它”,因为这样研究的人少。但现实里,最正确的答案往往是把不同现象结合起来,如麦克斯韦把电与磁统一为一套理论。再比如引力子,在理论上它们就像光子,尽管难以或几乎不可能观测。对学生的另一条强烈建议是:如果你不理解某事、或不相信书上的说法,那就“后退一步”,去问:人们当初为什么这么说?是否彼此“没听明白”?如果他们彼此真的听明白了,可能就会意识到彼此都犯了错(有的更大)。别被吓退;把不同理论结合成一体,往往是“你找到了新路径”的迹象。

主持人:

关于“基本粒子与复合粒子”,您是否暗示某些被以为是基本的,或许其实是“被禁闭的复合体”?

特·胡夫特:

问题可以反过来问:是什么让一个粒子“基本”?我参与过关于“基本与复合”的讨论。我的回答是:若把它视作“复合”是有用的,那它就是复合的;若你无法再识别其复合成分,那它就是基本的。比如光子基本、引力子也会是基本的。但你不能用“无限精确”的方式来做这种划分。在无限精度下,光子也会时不时“看上去像电子-正电子对”,然后再回到光子。那些一开始看起来简单的事,往往在深入后变复杂。物理学今天没有我希望的那种“确定性”,但我想朝“更确定”的理论努力。

主持人:

您提出“祖父钟(摆钟)模型”。

特·胡夫特:

对,一个摆每秒往复一次,齿轮转动,摆往复。我说,这是一个同时拥有“周期行为”(量子振子,能级离散)与“线性行为”(指针连续转动)的模型,而且“用同一套量子方程”来描述整个钟。也就是说,在一个对象里“确定论”与“量子论”相遇。我喜欢“摆钟”这个名字。我的信念是:你可以用量子力学自身来做到这一点。这样的“摆钟”远不止一个;这会是研究“完全确定但看上去量子”的理论的开端。

主持人:

我们谈谈“量子克隆”与黑洞。Neil Turok 与 Latham Boyle 有“黑洞视界像镜子”的工作。你也有“视界镜像”的理论,如何区分?

特·胡夫特:

(配图示意)黑洞是时空中“加速”的区域,会有视界。深蓝色线是视界,箭头是入射与出射的粒子。这是我认为理解黑洞行为的方式。通常人们会画一个“另一侧的相似空间”,像是另一个宇宙。根据方程,这两片空间看起来完全相同,像“彼此的克隆”。但通常做物理时它们并非克隆,因为你可以只往这边丢一个粒子、不往那边丢。当然也可以说:“当你在这边丢入粒子时,自动有个‘反观察者’在那边也丢入一个。”这样我就说:那边就是这边的“精确克隆”。于是你可以把“另一片绿区”整个省掉,只谈“单个黑洞”。其好处是:当你这样处理后,一旦这个宇宙里的演化是确定的,那个“克隆宇宙”里的演化也会是确定的;事实上,若它只是克隆,整个系统都是确定的。相反,若你把它当成“独立宇宙”,事情会很糟,因为这里的粒子会消失在无穷远的未来,那里的粒子会来自久远的过去;很难说“出射粒子依赖入射粒子”,而这是好理论所必需的。通过把两域“识别”为同一,决定论得到帮助。副作用是:熵会减半,因此温度会翻倍。这一理论因此预言霍金温度相比通常计算,会多出一个“×2”的因子。

主持人:

这意味着若能靠近黑洞测温,可能可实验地区分?

特·胡夫特:

理论上是,但实际上微型黑洞若存在也很难产生,以普通物质无法做出,因为所需温度太高。入射与出射粒子都会经过“量子区”,在一个“关键点”上,显然正确的定律需要被重新审视,这恰能解除通常遇到的矛盾。在“双宇宙”的图景里,这些矛盾更难回避。在我的模型里,穿过视界的人在实践中会被撕碎,并在“过去视界”上散开,作为另一粒子出现;因此信息悖论并不存在。只是“黑洞并非你以为的那样”,而这也是物理里常见的套路:成功的理论往往以“修正我们以为很准确的东西”为起点。当然,这只是近似描述,特别微小尺度下并非无限精确。会出现“圆锥奇点”,这不是改进,但它很温和,可以通过让“时空在那一带更不精确一点”而被抹平。弦论里也有此类温和奇点(欧氏弦)。此外,“×2 因子”与是否考虑“非微扰回馈”无关;更高阶修正很小,不改变基本性质。

主持人:

最后,您近来在做什么?研究方向?

特·胡夫特:

仍是黑洞问题。现有模型还不够“清楚”,尤其是原点的圆锥奇点,我想更好地理解它,并与标准模型粒子精确对接,看看它们如何与黑洞相互作用。我想把它整理成一本教材,像当年的量子场论那样,从头说明白,让人对“描述本身的正确性”不存疑(至于“整套理论是否正确”,当然总能提问题)。

主持人:

关于“渐近自由”的往事?

特·胡夫特:

(略述与 Kurt Symanzik 的相识与讨论)他谈到“耦合符号选错”反而带来一个重要性质(今称“渐近自由”)。我说“你知道规范理论可以不用错号也能得到同样性质吗?”他说不知道。我说我算过。他建议我赶快发表,否则别人会先发现。后来 Gross、Wilczek、Politzer 独立得到了同样结果。Symanzik 说“在会议上宣布也算优先权”,但我没好好写,错过了机会。

主持人:

您有个“如何成为优秀理论物理学家”的项目,能介绍一下给新学生与研究者吗?

特·胡夫特:

我收到很多来信,提出的“自然观”不太真实、与我们确信的科学事实不符。所以我想统一回答更严肃的研究者:你们必须先掌握物理学中的“标准内容”,不该跳过牛顿定律、行星为何绕椭圆、麦克斯韦电磁关系、热力学等。我列了十来个理论物理的“必须掌握”的主题。你要理解每个理论,也要知道它们的边界;比如量子力学也许不是“绝对正确”,但对实际足够好。理解了这些,再去找“缝隙”,用你自己的计算去填补。这是难点。你不能在没有替代、且替代更好的情况下就把旧理论丢掉。也别期待凭新理论立刻重算“电子的磁矩到小数点后五位”,我的元胞自动机也远没到那一步。这也解释了我为什么没写很多关于元胞自动机的论文:我还有太多不知道的部分。与沃尔夫勒姆那本厚书不同,我更想要“规则→推导出自然界会出现哪些基本粒子”的那种结果。我相信原则上可以做到——那些粒子看起来会像标准模型粒子——但如何精确操作,目前对我而言仍然太难。历史上人们也曾觉得相对论、量子、粒子“复杂到无边无际”,但后来我们找到了答案。将来也一定会。

节目尾声:

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